本文關(guān)鍵詞：固體火箭技術(shù)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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一、前　言

　　中國的現(xiàn)代固體火箭推進(jìn)技術(shù)研究起始于上個世紀(jì)50年代中期。開始階段進(jìn)行了復(fù)合固體推進(jìn)劑的探索性研究，包括原材料、配方和工藝研究，成功地合成了液態(tài)聚硫橡膠，開發(fā)了真空澆注工藝，并進(jìn)行了Φ65mm和Φ108mm小發(fā)動機(jī)地面試車。

　　1962年，中國航天科技集團(tuán)公司第四研究院成立后，固體發(fā)動機(jī)研究工作全面開展。第四研究院是一家大型國有企業(yè)，一直是中國最主要的固體火箭發(fā)動機(jī)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)，下設(shè)各專業(yè)研究所和工廠，具有完整的研究、設(shè)計、生產(chǎn)和試驗?zāi)芰ΑＦ駷橹怪袊扬w行的航天固體發(fā)動機(jī)絕大部分由該院研制，交付飛行產(chǎn)品的成功率為100％，主要用于“長征”系列運(yùn)載火箭的上面級和應(yīng)用衛(wèi)星的變軌系統(tǒng)。此外，四院和中國國防科技大學(xué)等單位也開發(fā)了一些探空火箭發(fā)動機(jī)。同時，中國固體火箭推進(jìn)基本技術(shù)也取得了全面發(fā)展。本文根據(jù)已發(fā)表的公開文獻(xiàn)，綜述了中國航天固體火箭技術(shù)的發(fā)展。

　　二、探空火箭發(fā)動機(jī)

　　1963年，四院開始研制試驗探空火箭用發(fā)動機(jī)FG－01A。該發(fā)動機(jī)直徑286mm，長1780mm，總質(zhì)量155kg，質(zhì)量比0.77，最大推力67kN，平均推力45.1kN，燃燒室最大壓強(qiáng)7.7MPa，平均工作壓強(qiáng)6.6MPa，地面比沖2105N·s/kg，工作時間7.5s。燃燒室用1.8mm厚的30CrMnSiA鋼板卷焊而成。推進(jìn)劑為貼壁澆注型含鋁聚硫橡膠，內(nèi)孔六角星形藥型。噴管采用滲硅高強(qiáng)度石墨喉襯和石棉/酚醛背襯，擴(kuò)張段采用Al2O3絕熱涂層。研制過程中解決了藥柱裂紋和不穩(wěn)定燃燒等技術(shù)問題，進(jìn)行了28臺地面試驗，從1965年起成功地進(jìn)行了6次飛行試驗。該發(fā)動機(jī)的研制是中國復(fù)合推進(jìn)劑固體發(fā)動機(jī)研制工作的一次成功嘗試。

　　此后，國防科技大學(xué)等單位還分別研制了“和平”2、“和平”6和“織女”3等探空火箭的固體火箭發(fā)動機(jī)。它們的直徑為161.5～255mm。特別是“織女”3兩級式火箭箭長4.87m，箭重285kg，，彈道頂點147km，性能有了較大提高。至90年代初這些固體探空火箭共進(jìn)行了100多次發(fā)射。2000年10月20日，由第四研究院研制的“天鷹”3微重力火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。“天鷹”3是一種性能先進(jìn)的探空火箭，最大直徑450mm，總長6.0m，總重1100kg（其中發(fā)動機(jī)重800kg，有效載荷50kg），最大飛行高度220km，可提供微重力時間約360s，微重力水平10－4g。下一步改進(jìn)計劃將使該火箭能攜帶300kg有效載荷，提供380s的微重力時間；或攜帶100kg有效載荷，提供510s的微重力時間。

　　三、運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)

　　中國運(yùn)載火箭典型的上面級固體火箭發(fā)動機(jī)共4種，即FG－02、FG－46、FG－47和CPKM。表1列出了這4種發(fā)動機(jī)的性能。

　　1967年，中國開始研制第一種人造衛(wèi)星運(yùn)載火箭“長征”1號，其第三級采用固體發(fā)動機(jī)，代號FG－02。該發(fā)動機(jī)燃燒室殼體采用32SiMnMoV超高強(qiáng)度鋼，筒段壁厚2.5mm，驗收壓強(qiáng)8.34MPa。它采用聚硫推進(jìn)劑，裝藥量1805kg，燃速6.07mm/s，密度1.742g/cm3，壓強(qiáng)指數(shù)（n）0.3435。藥柱采用尾部帶錐的圓管形藥型。噴管喉襯KS－8石墨，出口半角18°。研制期間成功地解決了超高強(qiáng)度鋼的制作工藝、高空點火、發(fā)動機(jī)自旋對推進(jìn)劑燃速及內(nèi)彈道性能的影響、脫粘和燃燒室中Al2O3沉積等技術(shù)問題，共成功進(jìn)行了19次地面試車（包括旋轉(zhuǎn)試驗和高空模擬試驗）以及振動、沖擊和運(yùn)輸?shù)纫幌盗协h(huán)境試驗。1970年4月24日該發(fā)動機(jī)參與中國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅”1號的發(fā)射，獲得成功。隨后，該發(fā)動機(jī)還用來發(fā)射了中國第一顆科學(xué)實驗衛(wèi)星“實踐”1號。

　　FG－46是“長征”2號E運(yùn)載火箭的近地點發(fā)動機(jī)，又稱EPKM發(fā)動機(jī)，可用來將3t有效載荷從近圓形軌道送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道，是中國目前最大的航天用固體發(fā)動機(jī)，直徑1.7m，裝藥量5444kg。FG－46和后面介紹的FG－47及FG－23A均由中國河西公司研制。該公司在1999年8月以前一直是四院的一個分部。FG－46發(fā)動機(jī)(圖1)燃燒室為玻璃鋼殼體，外壁有防靜電層。它采用HTPB推進(jìn)劑，密度1.80g/cm3，壓強(qiáng)指數(shù)0.4，抗拉強(qiáng)度≥0.9MPa，伸長率≥40％。藥柱為前翼柱藥型，12個翼槽均布，槽寬50mm，采用前后串裝的雙燃速推進(jìn)劑，體積裝填分?jǐn)?shù)0.9。噴管使用整體氈碳/碳喉襯，沖質(zhì)比1.1×105N·s/kg。研制中一些技術(shù)性能有突破，包括內(nèi)彈道性能調(diào)整技術(shù)、動平衡性能、玻璃鋼殼體性能與精度、總沖精度、推力線位置精度和質(zhì)心位置精度等。在頭兩次旋轉(zhuǎn)點火試驗時，曾出現(xiàn)前封頭中心頂蓋穿火現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗失敗。故障分析認(rèn)為是由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下絕熱層燒蝕增大引起。經(jīng)過改進(jìn)后的4發(fā)地面試驗均告成功。1995年11月25日和12月25日該發(fā)動機(jī)分別將“亞星”2和“回聲星”1衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。

　　FG－47是為“長征”2號丙運(yùn)載火箭發(fā)射“銥”星而研制的，用來將“銥”星從橢圓停泊軌道轉(zhuǎn)移到630km高度的圓形運(yùn)行軌道。這是一種球形發(fā)動機(jī)，裝藥量160kg。燃燒室為30CrMnSiA鋼，藥柱采用410－15A HTPB推進(jìn)劑，燃速6.17mm/s，密度1.8g/cm3，壓強(qiáng)指數(shù)<0.4，室溫抗拉強(qiáng)度≥0.8MPa，伸長率≥40％，傘柱球形藥型，體積裝填分?jǐn)?shù)0.91。噴管喉襯為碳/碳材料，出口擴(kuò)張半角15°。該發(fā)動機(jī)先后進(jìn)行11次地面試車，包括高模試車和六分力試車，并進(jìn)行了溫度循環(huán)、低頻與高頻沖擊、公路運(yùn)輸和振動等環(huán)境試驗。1997年9月進(jìn)行首次飛行試驗，共進(jìn)行7次發(fā)射，將12顆美國摩托羅拉公司的“銥”星送入軌道。

　　CPKM是研制中的先進(jìn)發(fā)動機(jī)，用作“長征”2號丙運(yùn)載火箭的近地點發(fā)動機(jī)，用于發(fā)射由中科院研制的雙星。它的研制目標(biāo)是高可靠性和短研制周期，采用高體積分?jǐn)?shù)的前翼柱藥型。燃燒室殼體將選用芳綸復(fù)合材料，EPDM內(nèi)絕熱層。噴管采用鈦合金外殼、碳/碳喉襯和碳布－高硅氧布復(fù)合纏繞擴(kuò)張段。

    四、航天器用固體發(fā)動機(jī)

　　1975年，四院開始研制中國第一顆通信衛(wèi)星“東方紅”2號用的遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)FG－15，隨后又研制了FG－15B、FG－36和FG－23A等航天器用固體發(fā)動機(jī)，為中國衛(wèi)星提供了可靠的星上動力裝置。表2列出了這些發(fā)動機(jī)的主要性能。

　　FG－15發(fā)動機(jī)（圖2）燃燒室殼體采用玻璃鋼材料，推進(jìn)劑為HTPB，裝藥量440kg，燃速7.8mm/s，壓強(qiáng)指數(shù)0.4，密度 >1.76g/cm3，理論真空比沖3100N·s/kg，翼柱形藥柱，長668mm。噴管采用雙圓弧擴(kuò)張段型面和碳/碳喉襯，出口擴(kuò)張半角12.5°。點火裝置選用適合于高空點火的硼－硝酸鉀點火藥，微電機(jī)式安全發(fā)火機(jī)構(gòu)。研制期間解決了絕熱層粘結(jié)不良和玻璃鋼殼體分層等問題，還開發(fā)了試驗用高精度試車架和高模試驗技術(shù)，大大提高了測試精度。該發(fā)動機(jī)經(jīng)過了振動、沖擊、離心過載、真空檢漏和鐵路/公路運(yùn)輸?shù)雀鞣N環(huán)境試驗，共進(jìn)行37次地面點火試驗，于1984年開始用于“東方紅”2號衛(wèi)星的發(fā)射，共發(fā)射3次。

　　隨后又開發(fā)了改型FG－15B，以適應(yīng)中國實用同步通信衛(wèi)星的發(fā)射要求。它的某些技術(shù)特征和FG－15基本相同，主要改進(jìn)是加長了燃燒室長度，提高了裝藥量，各項性能參數(shù)也有所提高。該發(fā)動機(jī)4次參加“東方紅”2號甲衛(wèi)星的發(fā)射，全部成功，曾榮獲國家頒發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量金質(zhì)獎。

　　FG－36是中國地球同步氣象衛(wèi)星“風(fēng)云”2號的遠(yuǎn)地點發(fā)動機(jī)，1987年開始研制，外形尺寸和FG－15B有相似之處，并采用同一種推進(jìn)劑，但藥形、噴管型面和結(jié)構(gòu)有一系列改進(jìn)，使質(zhì)量比從0.88提高到0.90，體積裝填分?jǐn)?shù)從0.88提高到0.92。噴管潛入燃燒室20％，收斂段和喉襯為一體式碳/碳材料，擴(kuò)張段采用三次拋物線型面，出口半角17°，噴管效率達(dá)到0.94。該發(fā)動機(jī)連續(xù)11次地面試驗成功，并通過一系列環(huán)境試驗（包括輻照、雷擊、靜電和射頻等試驗），于1997年6月成功地用于“風(fēng)云”2號衛(wèi)星的發(fā)射，總沖偏差僅0.7％。圖3是FG－36發(fā)動機(jī)簡圖。

　　FG－23A是一種球型發(fā)動機(jī)，用于中國返回式衛(wèi)星返回地面過程中的減速制動。燃燒室球形殼體外徑650mm，長666mm，前、后半球采用25CrMnSiA鋼，壁厚2mm，殼體驗收壓強(qiáng)8.5MPa。推進(jìn)劑燃速7.5mm/s，密度1.80g/cm3，理論真空比沖3035N·s/kg，玻璃化溫度－55℃。藥柱為燈泡傘翼柱藥型，體積裝填分?jǐn)?shù)0.80。噴管喉襯為T704石墨材料，潛入比0.396。點火器為后部環(huán)形殼體。該發(fā)動機(jī)和其它制動發(fā)動機(jī)共計連續(xù)十多次成功地完成了衛(wèi)星返回任務(wù)。

    五、固體推進(jìn)單項技術(shù)的發(fā)展

　　中國固體推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展途徑和世界各國大致相同。經(jīng)過40年的發(fā)展和數(shù)十種固體發(fā)動機(jī)的成功研制，包括研究、設(shè)計、制造和試驗在內(nèi)的全過程在技術(shù)上已趨于成熟，主要包括發(fā)動機(jī)設(shè)計與研究、推進(jìn)劑及裝藥工藝技術(shù)、發(fā)動機(jī)材料和工藝以及發(fā)動機(jī)質(zhì)量控制、性能測試和試驗技術(shù)等。發(fā)動機(jī)地面比沖達(dá)到2500N·s/kg，高空比沖2942N·s/kg，質(zhì)量比0.92。

　　藥柱設(shè)計在20世紀(jì)60年代廣泛采用星形裝藥。70年代以來，隨著裝藥工藝的進(jìn)步，已廣泛采用裝填系數(shù)高、受力優(yōu)良的翼柱形和傘柱形藥型。內(nèi)彈道及內(nèi)流場研究逐步深入。由西北工業(yè)大學(xué)和四院合建的燃燒、流動和熱結(jié)構(gòu)國家級重點實驗室，成立以來已完成80余項研究課題，開展了從燃燒室到噴管出口的二維和三維兩相流動計算，尤其是對不同藥型、噴管潛入?yún)^(qū)域和噴管擴(kuò)張段的最佳型面設(shè)計與絕熱材料燒蝕的耦合計算；含鋁推進(jìn)劑在燃燒室中燃燒形成的凝聚相和輸運(yùn)的實驗觀察和分析；火焰在裝藥翼槽、裂紋和脫粘縫隙中的傳播的實驗研究和理論分析；固體發(fā)動機(jī)在旋轉(zhuǎn)過載和飛行中軸向、橫向過載作用下推進(jìn)劑燃速、絕熱層燒蝕和內(nèi)彈道性能所受的影響等研究課題，對提高固體發(fā)動機(jī)設(shè)計水平具有重要指導(dǎo)意義。固體發(fā)動機(jī)推力向量控制技術(shù)也有很大發(fā)展。早在20世紀(jì)60～70年代，球頭式擺動噴管和液體二次噴射技術(shù)已得到成功應(yīng)用，爾后又成功研制了各種類型的先進(jìn)柔性擺動噴管，并研制了性能先進(jìn)的珠承擺動噴管。

　　中國開發(fā)了一系列用于發(fā)動機(jī)燃燒室殼體和噴管的低合金高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼，典型品種有25CrMnSiA、30CrMnSiA、32SiMnMoV、45CrNiMoV和D406A鋼。以45CrNiMoV為例，其組成和D6AC鋼相當(dāng)，淬透性好，比強(qiáng)度高，韌性好，抗應(yīng)力腐蝕性好，應(yīng)用可靠，具有可高能成型、冷沖、冷旋成型和焊接等良好工藝性能（其力學(xué)性能見表3）。此外，還開發(fā)了各種性能優(yōu)良的鋁合金和鈦合金。在高性能發(fā)動機(jī)殼體中已普遍采用高強(qiáng)玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，性能和國外同類材料相近。先進(jìn)復(fù)合材料也投入應(yīng)用，如有機(jī)纖維和碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料。殼體內(nèi)絕熱層材料多采用丁腈和三元乙丙橡膠（EPDM）。表4列出了發(fā)動機(jī)用的丁腈絕熱材料性能。

　　噴管喉襯材料早期多采用高強(qiáng)高密石墨（KS－8和T704）、鎢滲銅及石墨滲硅，近年來已廣泛使用碳/碳材料。多維編織碳/碳喉襯密度已達(dá)到1.9g/cm3。四院還開發(fā)了內(nèi)層為碳/碳、外層為碳/Al2O3的梯度復(fù)合材料，有希望用以代替目前使用的碳/碳＋背壁絕熱層疊層結(jié)構(gòu)，由此可大幅度降低成本，減輕質(zhì)量，提高可靠性。噴管擴(kuò)張段目前多使用布帶纏繞碳/酚醛和高硅氧/酚醛，已開發(fā)了各種高性能酚醛樹脂，如硼酚醛和鉬酚醛等。華東理工大學(xué)研制的高碳酚醛在主鏈或側(cè)鏈上引入芳苯基、芐基或芳烷基，其炭產(chǎn)率、炭層強(qiáng)度和燒蝕性能十分優(yōu)異。四院還在添加納米碳粉方面作了研究。初步結(jié)果表明，這對提高酚醛樹脂熱解峰值溫度、降低熱解收縮率、提高熱穩(wěn)定性和層間剪切強(qiáng)度以及降低燒蝕率均有效果。

　　中國復(fù)合固體推進(jìn)劑發(fā)展也經(jīng)歷了PS、PU、PBAA、CTPB和HTPB等發(fā)展階段，當(dāng)前廣泛應(yīng)用的是HTPB和HTPB＋HMX（RDX）系列，性能已達(dá)國際同類水平，標(biāo)準(zhǔn)理論比沖2590～2626N·s/kg，壓強(qiáng)指數(shù)≤0.4，＋20℃下拉伸強(qiáng)度σm=0.8～1.0MPa，伸長率εm=50％～60％；＋70℃下εm=50％～55％；－40℃下εm=40％。中國還成功地建設(shè)了復(fù)合固體推進(jìn)劑生產(chǎn)線，自行設(shè)計了從1L到2400L的一系列各種規(guī)格的混合機(jī)（圖4為2000L立式混合機(jī)）。

　　同時，低特征信號HTPB推進(jìn)劑已得到開發(fā)。總固體含量89％的少煙HTPB配方（5％Al，20％RDX）理論比沖2527.5N·s/kg，燃燒溫度3000K，密度1.73g/cm3，燃速5～13mm/s，壓強(qiáng)指數(shù)約0.4，和常規(guī)HTPB配方相比，羽煙中Al2O3降低72％，HCl降低24％，H2O降低28％。與此同時，中國的雙基、復(fù)合改性雙基和XLDB推進(jìn)劑也得到重大發(fā)展。高能推進(jìn)劑研究取得重要進(jìn)展，理論比沖2658.7N·s/kg，小發(fā)動機(jī)實測比沖2509N·s/kg，比沖效率0.944，工藝性能和力學(xué)性能十分優(yōu)異。為進(jìn)一步提高推進(jìn)劑性能，中國對高能量密度材料也進(jìn)行了大量研究，如GAP，AND和CL－20等。

　　在新世紀(jì)中，中國將不斷推進(jìn)固體火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)步，繼續(xù)為各種航天任務(wù)提供高性能、高可靠性和低成本的推進(jìn)系統(tǒng)。當(dāng)前小衛(wèi)星的發(fā)射迫切需要提供相應(yīng)的小型運(yùn)載火箭的固體發(fā)動機(jī)，特別是有效載荷500kg、軌道高度500～1000km的運(yùn)載火箭用固體發(fā)動機(jī)。中國還將探索進(jìn)一步提高能量和發(fā)動機(jī)其它性能的途徑。與此同時，中國也有意擴(kuò)大相關(guān)領(lǐng)域的國際交流和合作，積極提供各種形式的技術(shù)服務(wù)，為人類航天事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。

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本文編號：176152